Linux内核的idle进程分析

Posted 2020-10-01 cynchanpin

1. idle是什么  

简单的说idle是一个进程，其pid号为 0。其前身是系统创建的第一个进程。也是唯一一个没有通过fork()产生的进程。

在smp系统中，每一个处理器单元有独立的一个执行队列，而每一个执行队列上又有一个idle进程，即有多少处理器单元。就有多少idle进程。

系统的空暇时间，事实上就是指idle进程的"执行时间"。既然是idle是进程。那我们来看看idle是怎样被创建，又详细做了哪些事情？

2. idle的创建  
我们知道系统是从Bios加电自检，载入MBR中的引导程序(LILO/GRUB),再载入linux内核開始执行的，一直到指定shell開始执行告一段落，这时用户開始操作Linux。

而大致是在vmlinux的入口
startup_32(head.S)中为pid号为0的原始进程设置了运行环境，然后原是进程開始运行start_kernel()完毕Linux内核的初始化工作。

包含初始化页表，初始化中断向量表，初始化系统时间等。继而调用 fork(),创建第一个用户进程:  
kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND); 这个进程就是著名的pid为1的init进程，它会继续完毕剩下的初始化工作，然后execve(/sbin/init), 成为系统中的其它全部进程的祖先。关于init我们这次先不研究，回过头来看pid=0的进程，在创建了init进程后，pid=0的进程调用 cpu_idle()演变成了idle进程。

 current_thread_info()->status |= TS_POLLING;  
在 smp系统中。除了上面刚才我们讲的主处理器(运行初始化工作的处理器)上idle进程的创建，还有从处理器(被主处理器activate的处理器)上的idle进程，他们又是怎么创建的呢？接着看init进程，init在演变成/sbin/init之前，会运行一部分初始化工作，当中一个就是 smp_prepare_cpus()，初始化SMP处理器，在这过程中会在处理每一个从处理器时调用  
task = copy_process(CLONE_VM, 0, idle_regs(&regs), 0, NULL, NULL, 0);  
init_idle(task, cpu);  
即从init中复制出一个进程，并把它初始化为idle进程(pid仍然为0)。从处理器上的idle进程会进行一些Activate工作，然后运行cpu_idle()。   
整个过程简单的说就是，原始进程(pid=0)创建init进程(pid=1),然后演化成idle进程(pid=0)。init进程为每一个从处理器(执行队列)创建出一个idle进程(pid=0)。然后演化成/sbin/init。

  

3. idle的执行时机  
idle 进程优先级为MAX_PRIO，即最低优先级。

早先版本号中，idle是參

与调度的。所以将其优先级设为最低。当没有其它进程能够执行时，才会调度执行idle。而眼下的版本号中idle并不在执行队列中參与调度，而是在执行队列结构中含idle指针，指向idle进程，在调度器发现执行队列为空的时候执行，调入执行。

   4. idle的workload   从上面的分析我们能够看出，idle在系统没有其它就绪的进程可执行的时候才会被调度。无论是主处理器。还是从处理器，最后都是执行的cpu_idle()函数。所以我们来看看cpu_idle做了什么事情。  由于idle进程中并不执行什么有意义的任务，所以通常考虑的是两点：1.节能，2.低退出延迟。

 其核心代码例如以下：  void cpu_idle(void) {   int cpu = smp_processor_id();   current_thread_info()->status |= TS_POLLING;  /* endless idle loop with no priority at all */  while (1) {    tick_nohz_stop_sched_tick(1);   while (!need_resched()) { 

check_pgt_cache();    rmb(); 
   if (rcu_pending(cpu))     rcu_check_callbacks(cpu, 0);    if (cpu_is_offline(cpu))     play_dead(); 
   local_irq_disable(); 
   __get_cpu_var(irq_stat).idle_timestamp = jiffies;    /* Don‘t trace irqs off for idle */    stop_critical_timings();    pm_idle(); 
   start_critical_timings();   } 
  tick_nohz_restart_sched_tick();   preempt_enable_no_resched();   schedule();   preempt_disable();  } }

循环推断need_resched以减少退出延迟，用idle()来节能。  默认的idle实现是hlt指令。hlt指令使CPU处于暂停状态，等待硬件中断发生的时候恢复，从而达到节能的目的。

即从处理器C0态变到C1态(见 ACPI标准)。这也是早些年windows平台上各种"处理器降温"工具的主要手段。当然idle也能够是在别的ACPI或者APM模块中定义的，甚至是自己定义的一个idle(比方说nop)。   

小结:  
1.idle是一个进程，其pid为0。  
2.主处理器上的idle由原始进程(pid=0)演变而来。从处理器上的idle由init进程fork得到，可是它们的pid都为0。  
3.Idle进程为最低优先级。且不參与调度。仅仅是在执行队列为空的时候才被调度。  
4.Idle循环等待need_resched置位。默认使用hlt节能。